De zon levert meer dan genoeg energie voor al onze behoeften, als we het maar goedkoop en efficiënt konden benutten. Zonne-energie kan een schoon alternatief bieden voor fossiele brandstoffen, maar de hoge kosten van zonnecellen vormden een grote belemmering voor het wijdverbreide gebruik ervan.

Onderzoekers van Stanford hebben ontdekt dat het toevoegen van een enkele laag organische moleculen aan een zonnecel de efficiëntie ervan kan verdrievoudigen en kan leiden tot goedkopere, efficiëntere zonnepanelen. Hun resultaten werden online gepubliceerd in ACS Nano op 7 februari

Hoogleraar chemische technologie Stacey Bent raakte twee jaar geleden voor het eerst geïnteresseerd in een nieuw soort zonnetechnologie. Deze zonnecellen gebruikten kleine deeltjes halfgeleiders die 'quantum dots' worden genoemd. Quantum dot zonnecellen zijn goedkoper te produceren dan traditionele, omdat ze kunnen worden gemaakt met behulp van eenvoudige chemische reacties. Maar ondanks hun belofte, ze bleven qua efficiëntie ver achter bij bestaande zonnecellen.

"Ik vroeg me af of we onze kennis van chemie konden gebruiken om hun efficiëntie te verbeteren, "
zei Bent. Als ze dat zou kunnen, de lagere kosten van deze zonnecellen kunnen leiden tot massale acceptatie van de technologie.

Bent vertelt zondag over haar onderzoek, 20 februari op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science in Washington, gelijkstroom

In principe, quantum dot-cellen kunnen een veel hogere efficiëntie bereiken, Bent zei, vanwege een fundamentele beperking van traditionele zonnecellen.

Zonnecellen werken door energie van de zon te gebruiken om elektronen op te wekken. De aangeslagen elektronen springen van een lager energieniveau naar een hoger, een "gat" achterlatend waar het elektron zich vroeger bevond. Zonnecellen gebruiken een halfgeleider om een ​​elektron in één richting te trekken, en een ander materiaal om het gat in de andere richting te trekken. Deze stroom van elektron en gat in verschillende richtingen leidt tot een elektrische stroom.

Maar er is een bepaalde minimale energie nodig om het elektron en het gat volledig te scheiden. De benodigde hoeveelheid energie is specifiek voor verschillende materialen en beïnvloedt welke kleur, of golflengte, van licht absorbeert het materiaal het best. Silicium wordt vaak gebruikt om zonnecellen te maken omdat de energie die nodig is om de elektronen op te wekken nauw overeenkomt met de golflengte van zichtbaar licht.

Maar zonnecellen gemaakt van één materiaal hebben een maximale efficiëntie van ongeveer 31 procent, een beperking van het vaste energieniveau dat ze kunnen absorberen.

Quantum dot zonnecellen delen deze beperking niet en kunnen in theorie veel efficiënter zijn. De energieniveaus van elektronen in quantum dot halfgeleiders hangen af ​​van hun grootte - hoe kleiner de quantum dot, hoe groter de energie die nodig is om elektronen naar het volgende niveau te exciteren.

Dus kwantumstippen kunnen worden afgestemd om een ​​bepaalde golflengte van licht te absorberen door simpelweg hun grootte te veranderen. En ze kunnen worden gebruikt om complexere zonnecellen te bouwen met meer dan één kwantumpunt, waardoor ze meerdere golflengten van licht kunnen absorberen.

Door deze voordelen, Bent en haar studenten hebben manieren onderzocht om de efficiëntie van quantum dot-zonnecellen te verbeteren. samen met universitair hoofddocent Michael McGehee van de afdeling Materials Science and Engineering.

De onderzoekers bedekten een titaniumdioxide-halfgeleider in hun quantum dot-zonnecel met een zeer dunne enkele laag organische moleculen. Deze moleculen waren zelf-assemblerend, wat betekent dat hun interacties ervoor zorgden dat ze op een geordende manier bij elkaar kwamen. De quantum dots waren aanwezig op het grensvlak van deze organische laag en de halfgeleider. De studenten van Bent probeerden verschillende organische moleculen uit in een poging erachter te komen welke de efficiëntie van de zonnecellen het meest zouden verhogen.

Maar ze ontdekte dat het exacte molecuul er niet toe deed - alleen een enkele organische laag van minder dan een nanometer dik was genoeg om de efficiëntie van de zonnecellen te verdrievoudigen. "We waren verrast, we dachten dat het heel gevoelig zou zijn voor wat we neerlegden, " zei Bente.

Maar ze zei dat het resultaat achteraf logisch was, en de onderzoekers kwamen met een nieuw model - het is de lengte van het molecuul, en niet de exacte aard ervan, dat maakt uit. Moleculen die te lang zijn, laten de kwantumstippen niet goed interageren met de halfgeleider.

Bent's theorie is dat zodra de energie van de zon een elektron en een gat creëert, de dunne organische laag helpt ze uit elkaar te houden, voorkomen dat ze opnieuw combineren en verspild worden. De groep moet de zonnecellen nog optimaliseren, en ze hebben momenteel een efficiëntie bereikt van, hoogstens, 0,4 procent. Maar de groep kan verschillende aspecten van de cel afstemmen, en als ze dat eenmaal doen, de drievoudige toename veroorzaakt door de organische laag zou nog significanter zijn.

Bent zei dat de cadmiumsulfide kwantumstippen die ze momenteel gebruikt niet ideaal zijn voor zonnecellen. en de groep zal verschillende materialen uitproberen. Ze zei dat ze ook andere moleculen zou proberen voor de organische laag, en zou het ontwerp van de zonnecel kunnen veranderen om te proberen meer licht te absorberen en meer elektrische lading te produceren. Zodra Bent een manier heeft gevonden om de efficiëntie van quantum dot-zonnecellen te verhogen, ze zei dat ze hoopt dat hun lagere kosten zullen leiden tot een bredere acceptatie van zonne-energie.